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高频雷达液位计在特殊工况中的应用

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
随着当代工业自动化程度的发展,工艺过程中对各种物料液位测量的要求越来越高,目前市场上远传式液位计主要包括差压液位变送器、雷达液位计、超声波液位计、伺服液位计、磁致伸缩液位计和放射性液位计等,这些液位计普遍应用于比较简单的工況。然而随着对化工行业测量要求的提高及越来越多样化,在一些较为特殊的工況中,绝大多数液位计由于受到自身条件的限制,在对液位的测量中,不但在测量精度上,甚至在测量稳定性上往往都不尽如人意。目前,随着技术的不断成熟,雷达液位计在各种行业中的使用也越来越普及,其操作简单、安装方便,适用范围广,使用寿命长的优点受到了不少用户的青睐。但是,传统的雷达液位位计在使用中会受到一些条件的限制,所以在一些特殊工况中测量效果一直不太理想,给不少工程设计人员和用户造成了使用不稳定的印象。而高频雷达液位计解决了普通雷达液位计在一些特殊工况中碰到的问题。
 
1.高频雷达液位计的优越性
目前市场上常用的雷达液位计的发射频率为24~26GHz在一般的厂家介绍中也有把它称之为高频雷达液位计,而本文所要阐述的高频雷达液位计的特指在发射频率在80GHz或80G以上的连续调频波,其频率是普通高频雷达液位计的3倍。
 

1.1高频雷达液位计的特点
1.1聚焦能力强
雷达液位计的发射角大小反映了其聚焦能力的强弱,发射角的大小根天线有效截面积和频率有关,其公式如下发射角a=光速/(天线有效截面积*频率)从上式中可以看出,发射角a与雷达天线截面积和发射频率成反比,在天线截面积不变的情况下,发射频率越高,其发射角就越小。发射角越小,其聚焦能力就越强,从而雷达回波就越强,信号也就越稳定。
1.1.2动态范围
雷达液位计的动态范围是指液位计所能检测到的回波的最强信号与最弱信号之间的差值。发射频率为24~26GHz的雷达波,其动态范围一般在96dB之内,而80GHz的雷达波,其动态范围最大可以达到120dB。动态范围越大,说明其检测微弱信号的能力就越大,其适用性就越广。特别是在测量低介电常数的介质时,传统的雷达液位计一般只能测量介电常数e>3.0的介质,而高频雷达液位计最小可以测到e=1.1,包含了绝大部分介质。
1.2高频雷达液位计的优越性
(1)普通雷达液位计其工作条件要求介质的介电常数不能太低,带有搅拌或旋流情况应配导波管或采用导波雷达而高频雷达液位计则基本上不受限制。
(2)高频雷达液位计其频率一般在80~135GHz、测量范围广(达100米以上),不受气相环境的影响。
(3)高频雷达的发射角非常小,聚焦性能非常好,因此即使在是安息角非常大的料堆上,也可以获得优质的信号反射,使得能够精确测量。
(4)可采用内置透镜天线,无喇叭口设计。平面天线具有应用广泛、小安装接口等优点。
 
2.高频雷达液位计在特殊工况中的应用
2.1带搅拌器的反应釜
在精细化工中要求对带搅拌器的反应釜进行液位监控是非常常见的,反应釜内的物料多半为粘稠的浆料,并且在反应过程中需要搅拌并进行加热和降温。在这种工况下,由于搅拌的影响,液位对罐壁产生的压力不能正确反应液位高度,且进料过程中几种物料混合后的密度在不断发生变化所以不能使用差压液位变送器进行液位测量。又由于有多重叶轮的搅拌,加上物料比较粘稠,所以伺服、磁致伸缩等接触式液位计也不适合进行测量。
中石化上海催化剂分公司丙烯腈装置项目中要求对催化剂原料反应釜进行液位测量,该反应釜高度为2.5m,直径为1.8m,搅拌器带有三层搅拌叶,一般雷达液位计很难将这类多层的叶轮所反射的雷达波作为干扰信号进行滤波。后试用了某公司推荐的一台高频雷达液位计后,液位测量非常稳该款雷达液位计的发射频率为80GHz,天线尺寸为80mm,雷达波的发射角仅为3°。该反应釜原来用频率为26GHz的常规的雷达仪表,其雷达波的发射角为10°,由于雷达信号聚焦不好,信号会打在搅拌叶上,产生很多的虚假信号,导致液位低于1m后因为虚假信号的干扰而无法正常测量。后采用高频雷达液位计,由于其80GHz的发射频率,发射角非常小,聚焦效果非常好,因此雷达信号可以很好地避开搅拌液位能一直精确地测到罐底。
 

下图为不同频率下的雷达回波曲线,可以看出,80GHz的雷达在整个测量范围内,除了液位信号,没有任何虚假信号产生。
 
2.2含有大量泡沫液的酸碱废水池
上海石化热电部废水处理项目中要求对废酸池进行液位测量,该废酸池含有很浓的泡沫,高度达50cm以上。由于废酸池内的腐蚀性很强,不宜采用接触式顶装液位计,而一般的雷达液位计,其雷达波信号又很难穿透泡沫测到液面在实际施工中业主选用了一款高频雷达液位计,由于其高聚焦和高动态范围,雷达信号能很轻松地穿透泡沫,所以在实际应用中,废水的液位测量一直非常稳定。下图为泡沫厚度为0.5m的工况中不同频率下的雷达回波曲线,可以看出,80GHz的雷达的回波信号要大大强高于普通雷达液位计的回波信号,因而测量非常稳定。
 


图326GHZ和80GHz雷达波在含有泡沫液的废水中的回波曲线对比
2.2高温油罐
上海石化储运部二车间有几台容积为10000m³°的沥青拱顶罐,原液位测量选用了普通雷达液位计。由于该储罐内部带有蒸汽盘管加热,罐内温度达到150℃,油气挥发十分严重。对于普通雷达液位计,其天线很容易粘附上沥青蒸汽,旦形成结晶,对雷达信号的发射和接收阻碍很大。同时常规雷达液位计聚焦差,信号动态范围小,一旦信号传播受阻,液位信号会变得非常弱,导致测量非常不稳定。由于结晶的影响,天线每个星期还必须必须清理一次,给仪表维护带来很大的麻烦。
 
(左图为常规雷达喇叭形天线,右图为高频雷达半圆形天线)业主曾经改用Saab的抛物面天线雷达液位计RTG3930,取得一定的效果,但是由于RTG3930的抛物面天线的直径达到440mm,在改造项目中设备开孔不方便,并且价格较高。后来试用了一款高频雷达液位计,该款雷达采用半球形PEEK塑封透镜天线,使得天线与介质接触的表面积增大,即使形成很严重的结晶,也难以把整个天线覆盖。同时,由于高聚焦性,动态范围达到120dB,因此其雷达信号非常强,即使结晶会阻挡大部分雷达信号,仍有很强的雷达信号会穿透结晶,测到液位。因此,对于高频雷达液位计来说,结晶和粘附对测量不再发生影响,天线也无需定期清理,真正实现了免维护。此外,仪表在近距离对信号作了衰减处理,天线上的粘附很难形成虚假信号,因此虚假信号处理也不再需要,使得调试变得极其简易。下图为在高温沥青罐上不同频率下的雷达回波曲线,可以看出,常规雷达的回波曲线受粘附物的干扰非常大,而80GHz的雷达的回波信号非常清晰,基本不受沥青粘附的影响。
 

2.3小型容器
在很多制药和化工行业,需要对很多小型容器进行液位测量,有的容器高度仅为200-300m,采用差压等方式根本无法测量。而普通的雷达雷达液位计由于天线本身的结构,本身带有50mm以上的盲区,在近天线处会产生较强的噪声信号,因此近距离液位信号很容易被噪声线所淹没而无法测量。
 

高频雷达液位计由于发射频率是普通雷达液位计的3倍在发射角不变的情况下,其天线面积可以缩小到1/3,所以高频雷达液位计的天线外螺纹尺寸可以做到3/4”,因此可以在很小的容器上安装。而且天线可以做到齐平塑封安装,使得由天线产生的近距离噪音线达到最低,同时近距离的液位信号也变得更窄更强,即使液位接近天线也能被精确测出最高液位可以测量到天线螺纹根部。
2.4在带压球罐上安装
在一些带压的球罐上液位仪表的安装一般都带有根部阀,以便于仪表维修,如私服液位计等。一般根部阀多为法兰连接的全通径球阀,阀体内部有空隙,雷达波通过向下发射时会产生很大的干扰,导致测量时会产生很多虚假信号,所以常规雷达液位计一般都不安装在球罐上。而高频雷达液位计由于发射角极小,抗干扰能力强,在穿越诸如球阀等设备内部时一般不受任何影响,使雷达液位计可以直接安装在球罐本体进行液位测量。
 
3结束语
目前
雷达液位计在各行各业中的应用越来越广泛,这主要得益于雷达技术的突飞猛进,相比于十年前,雷达液位计的测量稳定性有了很大的提高。目前国际上一些知名的雷达液位计厂家都陆续推出了雷达发射波在80GHz左右甚至更高频率的液位计。可以预计,在不久的将来,高频雷达液位计以其优越的性能将会越来越广泛地应用在各个领域。
 
 
 
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